Стратегии навигации с переключением состояний у Caenorhabditis elegans выгодны для хемотаксиса

Caenorhabditis elegans передвигаются, комбинируя «руление» (небольшие изменения курса) и «поворот» (крупные переориентации). Неизвестно, вызваны ли переходы между этими элементами исключительно сенсорным вводом или также устойчивыми внутренними состояниями. Также неясно, как черви иногда, покидая поворот, оказываются уже ориентированы к цели, несмотря на предполагаемое отсутствие пространственной осознанности во время поворотов. Мы решаем эти вопросы с помощью измерений сенсорно-управляемой навигации и статистической модели управления, зависящей от состояния. Навигация червей хорошо описывается сенсорно-опосредованной моделью с переключением между двумя состояниями, которые длятся секунды и формируют различные сенсомоторные смеси: одно состояние обогащено рулением, другое — поворотами. Такая иерархическая временная организация ставит под сомнение представление о том, что стратегии подъема по градиенту статичны и полностью зафиксированы на стимуле. Вместо этого сенсорный ввод каузально модулирует переходы между устойчивыми состояниями, создавая впечатление «направленных поворотов» при выходе из состояния, обогащенного поворотами. Измерения на генетически модифицированных особях и моделирование с использованием ограниченного данными обучения с подкреплением показывают, что переключение состояний улучшает эффективность подъема по градиенту. В совокупности измерения, возмущения и моделирование демонстрируют, что переключение состояний функционально выгодно, организуя поведение во времени — принцип, который может обобщаться на другие виды и контексты.